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一、gpio用途
General Purpose Input Output （通用输入/输出）简称为GPIO，或总线扩展器，人们利用工业标准I2C、SMBus或SPI接口简化了I/O口的扩展。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。
每个GPIO端口可通过软件分别配置成输入或输出。Maxim的GPIO产品线包括8端口至28端口的GPIO，提供推挽式输出或漏极开路输出。提供微型3mm x 3mm QFN封装。
不同系统间的GPIO的确切作用不同。通用常有下面几种：
1.输出值可写（高=1，低=0）。一些芯片也可以选择驱动这些值的方式，以便支持“线-或”或类似方案（开漏信号线）。
2.输入值可读（1，0）。一些芯片支持输出管脚回读，这在线或的情况下非常有用（以支持双向信号线）。GPIO控制器可能具有一个输入防故障/防反跳逻辑，有时还会有软件控制。
3.输入经常被用作中断信号，通常是边沿触发，但也有可能是电平触发。这些中断可以配置为系统唤醒事件，从而将系统从低功耗模式唤醒。
4.一个GPIO经常被配置为输入/输出双向，根据不同的产品单板需求，但也存在单向的情况。
5.大多是GPIO可以在获取到spinlock自旋锁时访问，但那些通过串行总线访问的通常不能如此操作（休眠的原因）。一些系统中会同时存在这两种形式的GPIO。
6.在一个给定单板上，每个GPIO用于一个特定的目的，如监控MMC/SD卡的插入/移除，检查卡写保护状态，驱动LED，配置发送器，串行总线位拆，触发一个硬件看门狗，触发一个开关之类的。
二、gpio优点
低功耗：GPIO具有更低的功率损耗（大约1μA，μC的工作电流则为100μA）。
集成IIC从机接口：GPIO内置IIC从机接口，即使在待机模式下也能够全速工作。
小封装：GPIO器件提供最小的封装尺寸 ― 3mm x 3mm QFN！
低成本：您不用为没有使用的功能买单。
快速上市：不需要编写额外的代码、文档，不需要任何维护工作。
灵活的灯光控制：内置多路高分辨率的PWM输出。
可预先确定响应时间：缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间。
更好的灯光效果：匹配的电流输出确保均匀的显示亮度。
布线简单：仅需使用2条就可以组成IIC总线或3条组成SPI总线。
与ARM 的几组GPIO引脚，功能相似，GPxCON 控制引脚功能，GPxDAT用于读写引脚数据。另外，GPxUP用于确定是否使用上拉电阻。 x为A，B，，H/J，
GPAUP 没有上拉电阻。
三、GPIO系统结构
如前面提醒的一样，一个可选的实现结构使得平台支持不同种类的GPIO控制器使用同一个编程接口变得简单。这个结构称为gpiolib。
作为一个调试目的，如果debugfs有效，一个/sys/kernel/debug/gpio文件在那里将被找到。它列出了所有的通过这个结构注册的GPIO控制器，和GPIO当前的使用状态。
Controller Drivers： gpio_chip
控制器驱动：gpio_chip
在这个架构中，每个GPIO控制器被封装为一个“gpio_chip”结构体，此结构体中包含了每个控制器的通用信息：
--确定GPIO方向的方法
--存取GPIO值的方法
--声明方法是否休眠的flag
--可选的debugfs dump方法（展现附加的状态如上拉配置等）
--用于诊断目的的标签
每个实例也有自己的私有数据，可能来自device.platform_data：它的第一个GPIO和它暴露几个GPIO.
实现一个gpio_chip的代码应该支持多个控制器的实例，可能使用驱动模型。代码会配置每个gpio_chip并且执行gpiochip_add（）。移除一个GPIO控制器是少见的，使用gpio_remove（）移除一个不再有效的GPIO控制器。
大多数时候，一个gpio_chip是一个实例独有的结构，它的一些状态值不暴露给GPIO接口，如编址、电源管理等等。编码解码器之类的芯片会有复杂的非GPIO状态。
所有的debugfs dump 方式通常应该忽略那些未作为GPIO请求的信号。他们可以使用gpiochip_is_requested（），此函数返回与GPIO相关的label或是NULL。
平台支持
为了支持这个结构，一个平台的Kconfig需要选择ARCH_REQUIRE_GPIOLIB或是ARCH_WANT_OPTIONAL_GPIOLIB之一，且安排的它的《asm/gpio.h》包含《asm-generic/gpio.h》并且定义3个函数gpio_get_value（）， gpio_set_value（）， 和 gpio_cansleep（）。
他也可以提供一个自定义的值：ARCH_NR_GPIOS，以便能更好的反映平台实际使用的GPIO数目，并不浪费静态区域空间。（它应该计数 内建/SOC GPIO和GPIO扩展器扩展的数目）
ARCH_REQUIRE_GPIOLIB意味着此平台上gpiolib代码将永久编译进内核
ARCH_WANT_OPTIONAL_GPIOLIB意味着gpiolib代码默认是关闭的，用于可以使能它并且将它可选的编译进内核。
如果这些选项都未被选上，平台不能通过GPIO-lib支持GPIO，这些代码也不能被用户使能。
那些函数琐细的实现可以直接使用架构代码，它们经常通过gpio_chip分配：
#define gpio_get_value__gpio_get_value
#define gpio_set_value__gpio_set_value
#define gpio_cansleep__gpio_cansleep
爱好者实现可以代替定义他们使用内联函数，使用逻辑优化存取特定的基于SOC的GPIO。例如，如果 引用的GPIO是常数“12”，getting或setting它的值可能只需要2个或3个指令，且从不休眠。如果这样一个优化是不可能的话，这些调用实现必须委托给架构代码，它会耗费至少几十个指令。为了位拆型I/O，这些指令的节约是有相当大的意义的。
对于SOC来说，平台特定的代码为每个bank的片上GPIO定义和注册了gpio_chip实例。那些GPIO应该被编号和打上标签以匹配芯片厂商文档，且直接匹配单板设计图。他们可以从零开始一直到平台特定的限制。这些GPIO通常集成到单板初始化过程中以使得它们总是有效的，从arch_initcall（）到更早，它们总是可以为中断服务。
板级支持
对于外部GPIO控制器（如I2C或SPI扩展）、ASIC、多功能器件、FPGA或是CPLD，通常单板私有代码例程注册控制器器件且确定它们的驱动使用什么GPIO号来调用gpiochip_add。它们的号码经常在平台特定GPIO之后开始。
例如，单板setup代码可以创建结构标示芯片想要暴露的GPIO的范围，且使用platform_data传递它们到每个GPIO扩展器芯片。这样芯片驱动的probe（）历程可以传递这些数据到gpiochip_add（）。
初始化顺序是很重要的。例如当一个依赖于基于I2C的GPIO的设备，它的probe（）例程应该仅能在GPIO有效后调用。这意味着设备不能在GPIO可以工作之前注册。一个解决这样依赖的方法是在板级特定代码中，对于这种gpio_chip控制器来提供setup（）和teardown（）回调，这些板级特定的回调将注册设备一旦所有的需要资源有效时，并且在GPIO控制器无效时将它们移除。
用户空间的Sysfs接口（可选）
使用gpiolib实现结构的平台可以选择为GPIO配置一个sysfs用户接口。这与debugfs接口不同，因为它提供了覆盖GPIO方向和值的控制而不只是显示一个gpio状态信息摘要。另外，它可以在产品系统中提供而不需要调试支持。
为系统给出对应的硬件文档，用户空间可以知道例如GPIO#23控制着保护线，用于保护flash中的boot区域。系统升级程序可能需要临时移除这个保护，首先引入一个GPIO，然后改变它的输出状态，接下来在重新使能写保护之前升级代码。通常用法中，GPIO#23将不会被触碰，并且内核也不需知道它的信息。
同样依靠一个合适的硬件文档，在一些系统用户空间，GPIO可以被用于决定那些内核并不关心的系统配置数据。对于一些任务，简单用户空间GPIO驱动是系统真正需要的
注意，针对通用“LED和按钮”的标准内核驱动存在对应的GPIO任务“leds-gpio”和“gpio-keys”。使用它们代替直接与GPIO通话，它们集成在内核架构比你的用户态代码可能更好。
Paths in Sysfs
Sysfs路径
There are three kinds of entry in /sys/class/gpio：
/sys/class/gpio有3个入口条目：
-控制接口用于用户空间获取GPIO控制
-GPIO自己
-GPIO控制器（“gpio_chip”实例）
这是对于标准文件的补充，包括“device”符号
控制接口是只写的：
/sys/class/gpio/
“export” ————通过写GPIO的号码到此文件，用户空间可以要求内核导出一个GPIO的控制到用户空间
例如：“echo 19 》 export”将创建一个GPIO #19的“gpio19”节点（假设内核代码未申请此GPIO号）。
“unexport”————与“export”效果相反
例如：“echo 19 》 unexport”将移除一个由“export”文件导出的“gpio19”节点。
GPIO信号拥有如/sys/class/gpio/gpio42/（对应于GPIO#42）的路径，并且具有下列读写属性：
/sys/class/gpio/gpioN/
“direction”————读为“in”或是“out”。这个值通常可写。写“out”默认初始化此值为低。为了确定无障碍操作，值“low”和“high”可以被写入以配置GPIO的输出初始化值。
注意这个属性“将不存在”如果内核不支持改变一个GPIO的方向，或者它不能被内核代码导出（不能显式的允许用户空间来重新配置GPIO的选项。）
“value”—————读作“0”（低）或“1”（高）。如果GPIO被配置为一个输出，这个值可写;任何非零值均被视为高。
如果管脚可以被配置为中断产生中断管脚，且如果它已经被配置为产生中断（参考“edge”描述），你可以poll（2）此文件并且当中断触发时poll（2）将返回。如果你使用了poll（2），设置POLLPRI和POLLERR事件。如果你使用select（2），在exceptfds中设置文件描述符。在poll（2）返回之后，有两个选择一是lseek（2）到sysfs文件的开始且读新的值，另一个是关闭文件且重打开它来读取新的值。（为何这样设置？）
“edge”————读作“none”、“rising”、“falling”或是“both”。写这些字符串以选择边沿信号，他将使得“value”文件上的poll（2）操作返回。
这个文件只在管脚可以配置为中断产生输入管脚时存在。
“active_low”————读为0（false）或1（true）。写任何非零值都会反转读或写的值。目前和后来的poll（2）支持经由edge属性配置为“rising”或“falling”上升沿或下降沿将遵循这个设置。
GPIO控制器具有如/sys/class/gpio/gpiochip42/（针对控制器，实现GPIO开始于#42）的路径，且具有下列制度属性：
/sys/class/gpio/gpiochipN/
“base”————与N相等，是第一个被此芯片管理的GPIO
“label”————提供用于诊断（并不总是独一无二的）
“ngpio”————管理的GPIO数（N到N+ngpio-1）
大多数情况下，单板文档应该提供GPIO的使用目的。虽然如此这些号码并非总是固定的，一个子板上的GPIO可能与基础板使用的不同。此种情况下，你可能需要使用gpiochip节点（可能与设计结合）来为每个信号决定正确的GPIO号码。
从内核代码中导出
内核代码可以显式管理那些使用gpio_request（）申请的GPIO的导出
/* export the GPIO to userspace */
int gpio_export（unsigned gpio， bool direction_may_change）;
/* reverse gpio_export（） */
void gpio_unexport（）;
/* create a sysfs link to an exported GPIO node */
int gpio_export_link（struct device *dev， const char *name，
unsigned gpio）
/* change the polarity of a GPIO node in sysfs */
int gpio_sysfs_set_active_low（unsigned gpio， int value）;
一个内核驱动申请一个GPIO后，它可以使用gpio_export（）使得sysfs接口有效。驱动可以控制信号方向是否可以改变。这使得驱动可以防止用户空间代码不小心冲击重要的系统状态。
明确的exporting有助于调试（使得一些实验更简单），或是提供一个总是可以使用的接口，适合于bsp文档。
GPIO被导出后，gpio_export_link（）允许在sysfs的任何地方创建GPIO sysfs节点的符号链接。驱动可以用此在它们自己设备sysfs目录下提供指定名字的接口（链接到GPIO节点）
驱动可以使用gpio_sysfs_set_active_low（）隐藏GPIO在用户空间和单板之间的线极性不同。这仅影响sysfs接口。极性变换可以在gpio_export（）之前和之后完成，并且前面使能的poll（2） （支持上升沿或下降沿事件）将被重新配置为遵循此设置。
四、GPIO使用方法
要使用GPIO，系统首先要分配一个GPIO，使用gpio_request（） 为系统分配一个GPIO。
接下来要做的一件事是标示GPIO的方向，通常在使用GPIO建立一个platform_device时（位于单板的setup代码中）：
/* set as input or output， returning 0 or negative errno */
int gpio_direction_input（unsigned gpio）;
int gpio_direction_output（unsigned gpio， int value）;
返回0标示成功，或是一个负的errno错误码。它应该被检查，因为get/set调用没有错误返回，且可能会有错误配置。你通常应该在线程上下文中使用这些调用。虽然如此，对于spinlock-safe的GPIO，在tasking使能之前使用也是可以的，作为一个早期的单板建立。
对于输出GPIO，value参数提供了初始输出值。这有助于避免系统启动过程中的信号干扰。
为了与GPIO早期的接口兼容，设置一个GPIO的方向，隐性要求申请GPIO。这个兼容性从可选的gpiolib架构中移除了。
如果GPIO号码无效或是指定的GPIO不能使用对应模式操作的话，设置方向会失败。依靠boot固件设置好GPIO的方向通常不是一个好主意，因为boot的功能可能没有通过验证（除了boot linux）。（类似的，单板setup代码可能需要将管脚复用为一个GPIO，和配置为合适的上拉/下拉。）
Spinlock-Safe GPIO访问
-------------------------
大多数GPIO控制器可以使用内存读写指令访问。它们不需要休眠，且可以从内部硬件中断处理（非线程）和类似的上下文环境安全完成。
使用下列调用访问这些GPIO，此时gpio_cansleep将总是返回错误
/* GPIO INPUT： return zero or nonzero */
int gpio_get_value（unsigned gpio）;
/* GPIO OUTPUT */
void gpio_set_value（unsigned gpio， int value）;
其中，value是一个布尔型参数，零表示低，非零表示高。当读一个输出管脚的值时，返回的值应该是在管脚上看到的值。。。这并不总是与指定输出值相匹配的，因为存在开漏信号和输出延迟问题。
get/set调用没有错误返回，因为“无效GPIO”应该已经由gpio_direction_*（）提早报告了。虽然如此，并非所有的平台都可以读取输出管脚的值，那些不能读的应该总是返回零。同时，对那些可能导致睡眠的GPIO使用这些接口是一个错误。
平台的特定实现被鼓励优化这两个调用以获取GPIO值。在那些GPIO号码是常量的情况下，它们通常只需一对指令（读或写一个硬件寄存器）访问，且不需要spinlock。这样的优化可以使位拆分应用更有效率（在时间和空间上）（相比较于花费一堆指令在子例程调用来说）。
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